基于SWAT模型的晉江西溪流域綠水管理措施效益成本分析

榮 琨, 李學(xué)平, 楊 茜, 羅 杰, 張晨曦

(濱州學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 濱州 256600)

在1995年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織召開的大會(huì)上，針對(duì)水資源和糧食安全，瑞典斯德哥爾摩國(guó)際水資源研究所的福爾肯馬克提出了綠水的概念。福爾肯馬克認(rèn)為，陸地生態(tài)系統(tǒng)上的降水可以分為綠水和藍(lán)水[1]；其中藍(lán)水是指湖泊、河流等儲(chǔ)存的有助于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的地表水和地下水，綠水是降雨下滲到土壤中后通過(guò)蒸發(fā)蒸騰作用返回到大氣中的水，可以認(rèn)為是總的蒸散發(fā)量，是看不見的用于植物生長(zhǎng)的水。綠水雖然不可見，但是對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)和服務(wù)功能具有重要作用，約三分之二的全球降水以綠水的形式存在?？梢?，綠水是植物蒸騰作用的重要組分，是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)水源的重要支撐，是世界糧食安全和人類福祉的重要保障。

綠水管理是國(guó)際水資源研究中心等部門開發(fā)的管理機(jī)制，該機(jī)制中流域上游農(nóng)戶通過(guò)采取綠水管理措施參與流域水管理，同時(shí)需要外部資金支持；由于下游用水部門需要上游提供清潔的水源，因而下游部門有義務(wù)為上游農(nóng)戶進(jìn)行一定的資金幫扶。綠水管理可以減少水資源的無(wú)效蒸發(fā)、減少土壤侵蝕量、改善水質(zhì)、增加農(nóng)作物產(chǎn)量，引導(dǎo)利益相關(guān)部門通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償?shù)耐緩礁纳骗h(huán)境，達(dá)到水資源管理的互利共贏。Adeniyi等[2]將SWAT模型用于尼日利亞Jebba湖流域，研究了植被緩沖帶、石隴攔沙等綠水管理措施的效益和成本。結(jié)果表明，植被緩沖帶、石隴等可將輸入Jebba湖的泥沙量分別降低至原來(lái)的65.6%，12%。同時(shí)，與原來(lái)治理湖中泥沙的成本相比，植被緩沖帶和石隴兩種措施的成本比原來(lái)分別降低了84.9%和70.5%。荷蘭的Hunink與Droogers等人將等高耕作、地表覆蓋等綠水管理措施應(yīng)用于肯尼亞的塔納河流域[3-5]，用SWAT模型模擬了不同綠水管理措施在增加綠水，減少土壤侵蝕等方面的不同效果，并分析了不同措施的效益和成本，實(shí)施效果比較顯著。楊國(guó)勝等[6]運(yùn)用SWAT模型模擬了綠水管理措施對(duì)堵河上游流域水土保持和水質(zhì)保護(hù)等的影響，發(fā)現(xiàn)梯田和石隴等措施的效益成本比都大于1，幾種綠水管理措施適合在研究區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。但是，目前有關(guān)綠水管理措施效益成本分析的研究仍較少。對(duì)綠水管理措施進(jìn)行效益成本分析，可以定量評(píng)價(jià)各種措施的效益和成本，優(yōu)選出最適合相應(yīng)區(qū)域的綠水管理措施，降低資金投入風(fēng)險(xiǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)綜合效益的最大化。

晉江西溪流域是福建省內(nèi)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，面源氮磷污染比較突出，影響了流域水質(zhì)。流域內(nèi)山地丘陵較多而平原較少，農(nóng)民人均收入較低，傳統(tǒng)的勞作方式一定程度上制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展并加劇了面源污染，如何采取措施以改善生態(tài)環(huán)境并提高作物產(chǎn)量成為流域急需解決的問(wèn)題。但是目前有關(guān)西溪流域綠水管理措施的研究尚未見報(bào)道。因此，本文擬定量評(píng)價(jià)4種管理措施的效益和成本，選出適合在西溪流域推廣的管理措施，以期提高資金的綜合效益，同時(shí)為完善水資源管理機(jī)制提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

晉江西溪發(fā)源于福建省戴云山脈的梯仔嶺，從西北向東南流，介于東經(jīng)118°24′—118°34′，北緯24°33′—24°54′。西溪流域主要位于福建省泉州市的安溪、永春兩縣境內(nèi)，小部分位于泉州市的德化縣、南安縣及廈門市的同安區(qū)。在泉州南安的雙溪口匯入晉江干流。西溪全長(zhǎng)105 km，流域面積為2 451 km2，約占晉江流域總面積的55%，主要支流有藍(lán)溪、龍?zhí)断?、金谷溪、坑仔口溪、一都溪。西溪流域是福建省水土流失最?yán)重的區(qū)域之一，年均侵蝕模數(shù)約為835 t/km2，局部地區(qū)如官橋、龍門等鎮(zhèn)為崩崗群發(fā)育區(qū)，年均侵蝕模數(shù)超過(guò)5 000 t/km2。流域地貌以山地丘陵為主，平原較少，最高海拔為1 500 m，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降雨充沛，但時(shí)空分布不均勻。

2 研究方法

2.1 SWAT模型建立與驗(yàn)證

SWAT模型可以對(duì)各種綠水管理措施進(jìn)行模擬[2-6]。該模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)的分布式面源污染模型，可以模擬較長(zhǎng)時(shí)期土地管理措施對(duì)水資源、土壤侵蝕、河流水質(zhì)等的影響。部分學(xué)者運(yùn)用SWAT模型模擬了綠水管理措施對(duì)水土流失及河流水質(zhì)的影響[3-6]，基于SWAT模型研究綠水管理措施的可行性得到了證明。

搜集SWAT模型所需的西溪流域DEM、降雨、氣象、土地利用、農(nóng)業(yè)管理措施等數(shù)據(jù)資料，運(yùn)行SWAT模型，并利用實(shí)測(cè)徑流、實(shí)測(cè)輸沙、實(shí)測(cè)氮磷等數(shù)據(jù)對(duì)模擬值進(jìn)行校準(zhǔn)。結(jié)果表明，1973—1979年，西溪流域徑流月模擬的效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，Ens)為0.91，R2為0.92，產(chǎn)沙月模擬的Ens為0.63，R2為0.65，氨氮年模擬的Ens為0.69，R2為0.95，礦物林的年模擬Ens為0.79，R2為0.85，可見模擬效果較好，模擬結(jié)果符合相關(guān)模擬要求，表明建立的西溪流域SWAT模型可以進(jìn)一步用于研究綠水管理措施。模擬所需的DEM[7]、土壤[7]、土地利用[8]、降雨[9]、氣象[10]、實(shí)測(cè)徑流[9]、輸沙[9]、氮磷[9]資料分別來(lái)源于相應(yīng)引文，模擬詳細(xì)過(guò)程詳見榮琨等[11]研究結(jié)果。

2.2 綠水管理措施的設(shè)置

根據(jù)西溪流域的實(shí)際情況，選取等高耕作、地表覆蓋、石隴和梯田作為流域具體的綠水管理措施選項(xiàng)，其中等高耕作是沿著等高線進(jìn)行耕作，并將田間土埂或植被緩沖帶作為分隔，可以使徑流更加緩慢，并減少土壤侵蝕；地表覆蓋是將秸稈、雜草或地膜等覆蓋在農(nóng)田表面，可以減少暴雨對(duì)地表的沖刷，降低土壤的無(wú)效蒸發(fā)，保持土壤的濕度；石隴是把石塊沿著等高線走向堆積為一條線，石隴的走向與坡面是垂直的，可以減弱降雨徑流，阻滯土壤流失；梯田是沿著等高線修建堤壩，形成可以耕種的階梯狀農(nóng)田，可以降低坡長(zhǎng)，減弱降雨徑流，降低水土流失。

在前期研究的基礎(chǔ)上，以1973—1979年作為模擬分析時(shí)期。借鑒肯尼亞塔納河流域[3-5]、中國(guó)堵河上游流域[6]在SWAT模型中各種綠水管理措施的參數(shù)設(shè)置值；同時(shí)結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，制定了西溪流域4種綠水管理情景的模擬參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)4種情景的SWAT模型表達(dá)見表1。

表1 晉江西溪流域SWAT模型中各種綠水管理情景的參數(shù)設(shè)置

注：表1中模型參數(shù)USLE_P是水土保持因子，降低此參數(shù)值則造成土壤蒸發(fā)減?。籆N2是徑流曲線系數(shù)，降低此參數(shù)值則會(huì)減小土壤侵蝕量，增大地下水補(bǔ)給量；SLOPE是亞流域中坡度的平均值，此參數(shù)值減小則造成土壤侵蝕量減少；OV_N是地面徑流的曼寧系數(shù)n，增大此參數(shù)值則造成徑流阻力增大、徑流速度降低、土壤侵蝕減?。籉ilterW是過(guò)濾帶寬度，增加此參數(shù)值則會(huì)減少土壤侵蝕量，增大水分下滲量，減少地面徑流。

3 綠水管理措施效果分析

3.1 綠水增加與水土保持效益

經(jīng)計(jì)算4種綠水管理措施的年均綠水增加效益與水土保持效益見表2。4種措施都導(dǎo)致流域綠水量增加，綠水增量最多的為等高耕作，增加了8.74×105m3，綠水增量最少的為地表覆蓋，增加了4.32×105m3，綠水增量的平均值為5.96×105m3。單方水價(jià)值計(jì)算時(shí)，借鑒前人相關(guān)成果[6]，同時(shí)結(jié)合西溪流域?qū)嶋H，將單方水價(jià)值定為1.26元/m3，進(jìn)而得出相應(yīng)的綠水增加效益。

4種措施的綠水增加效益從大到小為：等高耕作>梯田>石隴>地表覆蓋，4種措施的平均綠水增加效益為7.52×105元。

表2 晉江西溪流域不同綠水管理措施的年均綠水增加效益和水土保持效益

實(shí)施4種綠水管理措施后，西溪流域出口斷面的輸沙量平均每年可減少6.99×105t(見表2)，其中梯田的土壤保持量最大，為1.03×106t，地表覆蓋的土壤保持量最小，為3.31×105t。計(jì)算單位水土保持價(jià)值時(shí)，借鑒相關(guān)研究成果[6]；同時(shí)結(jié)合西溪流域?qū)嶋H，將單位水土保持價(jià)值定為12.8元/t，進(jìn)而得出相應(yīng)的水土保持效益。4種措施的水土保持效益從大到小為：梯田>石隴>等高耕作>地表覆蓋，從最大的1.32×107元至最小的4.24×106元不等，4種措施的平均水土保持效益為8.94×106元。

3.2 水質(zhì)保護(hù)與農(nóng)業(yè)增收效益

實(shí)施綠水管理措施后，輸沙量減少的同時(shí)，總氮和總磷流失量也減少了，其年均水質(zhì)保護(hù)效益和農(nóng)業(yè)增收效益見表3。4種綠水管理措施實(shí)施后，西溪流域的總氮流失量平均每年可減少431.3 t，總磷流失量平均每年可減少95.9 t。計(jì)算單位水質(zhì)保護(hù)效益時(shí)，參考前人相關(guān)成果[6]；同時(shí)結(jié)合西溪流域?qū)嶋H，將單位TN，TP水質(zhì)保護(hù)效益分別定為48 824元/t，52 688元/t，進(jìn)而得出相應(yīng)的水質(zhì)保護(hù)效益。4種措施的水質(zhì)保護(hù)效益從大到小為：等高耕作>梯田>石隴>地表覆蓋，從最大的4.15×107元至最小的1.82×107元不等，4種措施的平均水質(zhì)保護(hù)效益為2.61×107元。

表3 西溪流域不同綠水管理措施的年均水質(zhì)保護(hù)效益和農(nóng)業(yè)增收效益

注：水質(zhì)保護(hù)效益=48 824元/t×TN流失減少量/t+52 688元/t×TP流失減少量/t

綠水管理措施促進(jìn)農(nóng)業(yè)收入增加，主要是通過(guò)作物蒸騰量增加導(dǎo)致的作物增產(chǎn)體現(xiàn)出來(lái)的[12-13]。模擬結(jié)果表明，實(shí)施4種綠水管理措施后，西溪流域的農(nóng)田蒸騰量平均每年可增加5.46×105m3(見表3)。前人相關(guān)研究表明，每增加1 m3的植被蒸騰量，可產(chǎn)生0.625元的農(nóng)作物價(jià)值[14]。4種綠水管理措施的農(nóng)業(yè)增收效益從大到小為等高耕作>梯田>石隴>地表覆蓋，年平均效益為3.73×105元。

3.3 綠水管理措施的效益成本分析

為了評(píng)估西溪流域?qū)嵤┚G水管理措施的經(jīng)濟(jì)可行性，計(jì)算了其年平均效益和成本(如表4所示)。計(jì)算中，由于一次性建設(shè)石隴與梯田工程后，能夠多年受益，同時(shí)借鑒相關(guān)成果[6]，將石隴和梯田產(chǎn)生效益的期限按10 a計(jì)算，其總成本也均攤到每一年。由于等高耕作僅是在原先耕作方法的基礎(chǔ)上略微變化一下耕作方法，其花費(fèi)的成本和原有成本變化不大，同時(shí)借鑒相關(guān)成果[6]，將額外新增成本定為150元/hm2。參考相關(guān)資料[6，15]；同時(shí)結(jié)合西溪流域?qū)嶋H，將地表覆蓋的單位成本定為750元/hm2。

表4 西溪流域綠水管理措施的年平均效益成本對(duì)比

由表4可知，石隴、梯田、等高耕作3種措施的效益成本比都大于1，其中石隴、梯田的效益成本比居前兩位，分別為19.52，13.03，主要原因是這兩種綠水管理措施有巨大的水質(zhì)保護(hù)和水土保持效益，同時(shí)其總成本也較少，等高耕作的效益成本比為6.98。石隴、梯田、等高耕作這3種綠水管理措施都適合在西溪流域進(jìn)行推廣，這3種措施的年均單位成本為835.67元/hm2,每種措施的年均成本為3.97×106元，年均效益為4.05×107元，平均效益成本比為10.18。而地表覆蓋的總效益是4種措施中最小的，為2.33×107元，同時(shí)其總成本卻是4種措施中最大的，為3.69×107元，因此其效益成本比僅為0.63，在沒有政府補(bǔ)貼的情況下不適合在研究區(qū)推廣。今后，應(yīng)進(jìn)一步探索降低研究區(qū)地表覆蓋成本的技術(shù)方法，同時(shí)輔以適當(dāng)?shù)恼a(bǔ)貼，以利于地表覆蓋措施的推廣使用。

4 結(jié)論與討論

(1) 本文運(yùn)用SWAT模型研究了石隴、梯田、等高耕作、地表覆蓋等4種綠水管理措施在增加綠水、水土保持、水質(zhì)保護(hù)、農(nóng)業(yè)增收等方面的效益，表明西溪流域綠水管理措施的實(shí)施效果可以通過(guò)模型進(jìn)行量化評(píng)估，為研究區(qū)生態(tài)治理提供了一種新的參考模式。

(2) 石隴、梯田、等高耕作3種綠水管理措施的效益成本比均大于1，都適合在西溪流域推廣使用，效益成本比從大到小的順序?yàn)槭](19.52)>梯田(13.03)>等高耕作(6.98)，3種措施的平均效益成本比為10.18，年均成本為3.97×106元，年均效益為4.05×107元。

(3) 由于總成本顯著高于其他3種措施等原因，地表覆蓋的效益成本比僅為0.63，暫不適合在研究區(qū)推廣應(yīng)用，今后應(yīng)進(jìn)一步探索降低其成本的技術(shù)，同時(shí)輔以適當(dāng)?shù)恼a(bǔ)貼，以利于該綠水管理措施在研究區(qū)的推廣。

(4) 綠水管理措施僅僅是生態(tài)治理機(jī)制的一部分內(nèi)容，由于資料有限等原因，本研究沒有考慮水環(huán)境治理成本等因素。今后在充實(shí)資料的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步將調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、治理水污染等因素納入效益成本分析的范圍，更深入的開展生態(tài)治理機(jī)制研究。

(5) 本研究結(jié)果也存在一定的不確定性。綠水管理措施參數(shù)在不同研究區(qū)的敏感性差異，在不同時(shí)間和空間尺度上有效性的差異，在不同下墊面的空間異質(zhì)性都會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定的不確定性；同時(shí)，由于不同的SWAT模型參數(shù)組合都能使模擬的Ens達(dá)到幾乎同樣的水平，參數(shù)的“異參同效”現(xiàn)象比較普遍，這也會(huì)使研究結(jié)果存在一定的不確定性。本文在借鑒塔納河、堵河上游流域參數(shù)值設(shè)置4種綠水管理措施參數(shù)的過(guò)程中，參數(shù)設(shè)置可能具有不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致研究結(jié)果也存在一定的不確定性。今后，應(yīng)進(jìn)一步深入研究參數(shù)之間的相關(guān)性，探索高效的參數(shù)分析方法并進(jìn)行參數(shù)本地化，同時(shí)采用人工校準(zhǔn)和自動(dòng)校準(zhǔn)相結(jié)合、多站點(diǎn)校準(zhǔn)、多重指標(biāo)評(píng)價(jià)模擬效果等方法，從而降低SWAT模型參數(shù)的不確定性，提高模型預(yù)測(cè)能力。